隧道竖井（精选7篇）
隧道竖井 篇1
1 工程概况
该工程为山西省忻州至保德高速公路路基工程TS1合同段，该段为隧道通风竖井，根据隧道长度、施工工期、地形、地质、水文等条件，结合通风、救灾、排水及弃渣的需要，通风竖井设置于K44+400行车方向右侧64.375 m处，位于庙洼沟沟头外。竖井形状为圆形，采用复合式衬砌，净断面S=50.24 m2，掘进深度183.618 m，其中锁口圈深度10 m，直径为8 m，隧道通风竖井开口坐标为X=4.263 852 91E+06,Y=5.023 647 50E+05。
2 工程特点、施工方法及工艺流程
2.1 工程特点
K44+400右侧通风竖井，井深为183.62 m，施工出碴运输、通风等效果的好坏将直接影响竖井施工的形象和进度，施工时要提前做好专项设计，并在施工中精心管理;该井施工难度大，安全要求高，是本工程的重、难点工程。
井深Ⅴ级围岩衬砌结构，长度35 m，分别为初期支护、二次衬砌。初期支护采用22早强砂浆锚杆，L=3.5 m，间距100 cm×75 cm，竖向75 cm;挂8钢筋网、间距20 cm×20 cm;4×25格栅钢架、H=15、竖向间距75 cm;喷C25早强混凝土22 cm的联合支护形式;二次衬砌为C30防水钢筋混凝土，厚度为50 cm。
2.2 施工方法及工艺流程
1)井架及安装。井架采用塔式五边形封闭结构，以利于结构稳定施工中不因受力不均而位移变形，基础用地脚螺栓固定在混凝土基础上，主架采用L100×100标准件和部分非标准件现场加工安装，共分三个单元自下而上逐层拼装，第一单元为井口以上8 m，第二单元为8 m～12 m，第三单元为12 m～16 m，各单元拼装完成后进行测量并进行拼装误差调整，达到精度要求后再进行下一单元拼装，以确保井架整体安装精度，最后按照设计要求进行总体纠偏。
井架拼装完成后按照井筒施工要求，安装天轮梁、天轮、过卷平台、稳车滑轮组及施工相关的提升配套设备。
井架安装应在井口锁口盘完成并养护混凝土强度达到85%方可进行，井架主要任务是为衬砌模板台车服务兼作施工期内物料、人员、悬吊设备升降之用。
2)提升机安装。提升机为井筒开挖支护与衬砌施工提升共用设备，各种专用绞车按井筒施工阶段提升设备要求安装。机械部分安装主要有主轴装置、自动装置、减速器、深度指示灯等。
电控部分安装有与主机配备的电控系列，如电机、测速电机、控制台等，电控部分安装完成后做以下测试检查:电器设备绝缘检查、主电机运行试验、操作试验、提升机空载运转制动试验、重物下放制动试验、提升过卷试验、提升通信信号试验等，其结果均应达到使用要求，提升机及其配套设备安装与调试计划2个月。
3)井筒施工设备悬吊。井筒施工设备悬吊有罐笼、喷射机、安全梯以及各种管道与电缆，悬吊是由地面安装的11台稳车用钢丝绳通过井架天轮悬吊，随井筒掘进向井部延伸。
根据我单位竖井施工经验和对施工要求的难易程度，采用设计推荐的正井法。
设计中根据竖井位置的地层和岩性情况，为确保施工安全，Ⅴ级，Ⅳ级围岩段落二次衬砌应适时、紧跟初期支护施作，并预埋中隔板连接钢筋;进入Ⅲ，Ⅱ级围岩后，可在整个竖井开挖和初期支护施工完成后，由下而上全断面模筑二次衬砌和中隔墙。
井筒施工采用大型立体机械配套作业。钻爆法凿岩，提升吊桶出渣，渣石全部由进口运出，用自卸车运至弃渣场。采用锚杆、钢筋网、喷混凝土初期支护，模筑混凝土衬砌。
施工工序采用单行作业，即由井口开挖至井底，施作初期支护，再自上而下整体滑模灌注井身衬砌和中隔板。为保持工作面空气清新，必须进行机械通风。
主要施工设备有:井架、提升绞车、稳车、YT28风动凿岩机、整体金属衬砌模板、混凝土自动搅拌机、大型装载机、自卸汽车等。
4)井身段施工工艺流程。采用钻爆法施工，光面爆破工艺，锚喷初期支护。
工艺流程:钻爆→出渣→初期支护→二次出渣(清底)→进入下一循环。即测量放线，下放钻机，钻眼，钻机提升，装药爆破;通风排烟，恢复照明检查信号，清盘、清除浮石，正常出渣，处理欠挖，清底;初期支护;下落盘，管路定位，二次出渣。施工时，初期支护必须步步紧跟，初期支护用锚杆、钢筋网等全部在加工场按设计尺寸统一加工制作，现场安装。喷射混凝土按施工配合比计量，机械拌合，采用潮喷工艺，前期井深小于40 m运至井口卸入串筒溜放到工作面备用，后期采用罐笼运输，最后施作井身衬砌和中隔板。
5)竖井初期支护。a．初期支护必须步步紧跟，既有利于安全又方便施工。b．初期支护用的格栅、网片、锚杆、纵向钢筋等全部在加工棚按尺寸统一制作，现场安装;初喷混凝土开挖完成后，应及时对开挖面初喷5 cm厚的混凝土，保证开挖面的稳定。c．早强砂浆锚杆施工采用风动凿岩机钻孔，造孔后，利用牛角泵往孔内注入水泥砂浆，然后再插锚杆专用注浆泵注浆施工。
6)钢筋网片。挂钢筋网，钢筋须经试验合格，使用前要除锈。钢筋网加工在洞外分片制作。人工铺设，利用锚杆和钎钉连接牢固，安装时搭接长度不大于10 cm。喷射混凝土时，尽量靠近钢筋网片以减少回弹料和钢筋网片振动，使喷射混凝土与钢筋网片更好的结合。
7)格栅钢架。钢支撑采用格栅钢筋，钢材按设计要求下料，焊接而成，合格后，运至洞内，人工拼装。安装前，先对断面进行检查，局部欠挖时及时处理。格栅钢筋安装在初喷后进行，安装时测量控制钢支撑的中线、高程、垂直度。每榀格栅钢筋之间，环向每隔1 m设置1根连接钢筋。格栅钢筋与锚杆焊连在一起。格栅钢筋与围岩之间每隔1 m用垫块塞紧。
8)喷射混凝土施工。为了降低粉尘，减少回弹量，提高喷射混凝土的质量，本隧道喷射混凝土均采用湿喷法。混凝土由洞外拌合站拌合，混凝土罐车运输至洞内卸入湿喷机料斗，人工抱喷嘴湿喷。
9)初期支护施工技术措施。开挖后及时初喷，出渣后及时复喷。喷混凝土平整度2 m直尺靠量，凹凸不大于5 cm。锚杆的杆体不能大于喷射混凝土的厚度，也就是锚杆杆体不能外露于平射混凝土外，格栅钢架在初喷混凝土后及时安装，要全部被喷射混凝土覆盖，钢架与围岩之间的间隙应喷密实，保护层厚度不小于4 cm。
10)竖井衬砌。Ⅴ级围岩段落二次衬砌应适时、紧跟初期支护施作;并预埋中隔板连接钢筋。为使支护能够尽快地闭合，开挖完成后，尽快施作，竖井衬砌施工方法如下:将基底清理干净，做到无虚渣无积水无杂物，并经监理检验合格。模板采用组合钢模板，测量放样后，按交底进行立模，底板上打插筋用来支撑，混凝土由洞外自动拌和站拌制，搅拌输送罐车运混凝土至工作面，人工平仓，插入式捣固棒捣固。
3 结语
经过全体施工技术人员的努力奋战施工279 d，井深为183.62 m的云中山隧道竖井井筒终于贯通。
参考文献
[1]JTJ026-90,公路隧道设计规范[S].
[2]铁道部第二工程局.铁路工程施工技术手册——隧道[M].北京:中国铁道出版社,1999.
[3]西南交通大学.世界各国已建成和在建的长度大于10km的公路隧道资料汇编[Z].
深埋隧道竖井施工技术 篇2
某输水工程12标段为长大隧道,支洞全长210m,纵坡i=24.85%,设计尺寸4m×5m,斜坡段长421m,平坡段共33m,承担主洞施工任务4148m。其中,往上游方向掘进2617m,往下游方向掘进1531 m。
2 方案设计
进料线平板车平均运行速度为2.0m/s (最大速度3.06m/s),斜井往返运行用时6min,一次最多运送半成品混凝土3 m3,洞外装料用时20 min,从平板车和矿车卸料用时15～20min,所以运送一次原材料共用时40min,竖井使用前斜井进料线只能满足一个掌子面喷混凝土原料的供应。由于主洞段混凝土和二次衬砌需要5.2万3半成品混凝土,每板衬砌长度12m,边顶拱m实际浇筑方量120m3。正常情况下每板混凝土浇筑用时11h,则供应频率在10.9m3/h。故单纯以斜井运输混凝土,其运量远不能满足施工需要。
常规工艺是通过在洞内扩展空间,采用现场拌和,但搅拌站的设立对隧道内掌子面施工干扰较大,且粉尘污染严重,成本较高。
如采用竖井投料,则可解决混凝土运输问题,竖井设置区域选择需考虑地表地势、混凝土搅拌站设置、交通方便以及地质状况开挖深度等。根据该工程现场实际,在隧洞的K0+251.7桩号处,设置竖井1口。
2.1 设计思路
因竖井井口处于沟谷处成洞困难,须采用人工开挖;主洞施工地质条件差,前期开挖进度较慢,为保证总工期,主洞内开挖与衬砌平行作业,竖井能同时满足掌子面与衬砌混凝土供应;竖井直径按扩孔直径3.2m、孔内径2.2m设计,井内分别设置两条投料钢管,一条供应衬砌用混凝土,另一条供应掌子面素喷混凝土。同时在每条管下,按照混凝土特性设置缓冲(防止混凝土离析)或防尘装置(半干料)。
2.2 布置形式
竖井施工区应考虑混凝土拌和站、原材运输道路、料场以及竖井开挖作业区、投料区。
3 施工关键技术
3.1 开挖施工
按竖井设计方案,竖井垂直深度实际量测为90.5m。竖井结构如图1所示,护臂混凝土厚22 cm,为防止护臂混凝土下沉,护臂混凝土做成上小下大的阶梯形;其中,纵向主筋端部设置180°弯钩,两纵向钢筋间利用弯钩互相连接。
(a)纵截面;(b)横截面
施工竖井井口0～30m范围内基本为卵石层,30～66m段为风化层,66m后初见岩层,时常出现涌水淹洞现象,施工中采用透水材料、木板、钢筋网、锚杆等加固措施保证开挖支护成洞,浇筑混凝土后接缝处渗水严重,采用先引排水再封堵,最后采用高强水泥加止水材料、双液浆反复堵水止水,以减少渗水量。确保竖井成功与主洞贯通。工艺流程见图2所示。
由于竖井开挖岩质为Ⅳ～Ⅴ类围岩,机械钻孔造价较高且易塌孔,采用人工挖孔。施工中,采用全井钢筋混凝土护壁,衬砌厚度20cm,一次灌注高度1～2m,并根据围岩情况作具体调整。自制卷扬机吊渣,人力外运弃渣。具体在孔顶处布设2根槽钢轨道,在出渣时要缓慢提升吊桶,以防溜绳,出孔后吊至轨道上方50cm时,停止卷扬机转动。采用自制平板车(轮距同轨道中心距)下接吊桶,出渣。孔底凿岩风镐可连接隧道空压机房管道,风管管道用无缝钢管加法兰连接,接头加装5 cm厚橡胶垫密闭。
3.2涌水处理
由于此竖井下覆节理发育的大理岩,开挖过程中遇到不同程度的出水裂隙和孔洞。如竖井挖至13m深度地层即出现涌水孔(直径约21cm),开挖深度57m时,遇大量溶洞裂隙,地下涌水量大且稳定。由于竖井所在地夏季雨水充足,常出现大雨,大量地表水通过涌水孔和岩层裂隙渗入并汇集于井内,井内最大出水量曾达到180m3/h。针对以上水文地质情况,决定对掘进面涌水段采用注浆措施止水后再开挖,以确保开挖顺利进行。
衬砌圈施工遇水时,在涌水段圈底下50cm位置,岩层表面先铺筑40 cm左右厚度的C25混凝土,封堵外涌水,待混凝土成型3d后,用风枪钻直径0 42,孔深4m的注浆孔,孔眼呈梅花形交错布置,孔内用32钢管(L=5～6m),通过注浆管,压注双液浆。注浆时机以岩层出水量为准,如水量较大,则每成型一孔立即注浆,孔注浆压力可根据现场涌水点情况灵活调整。注浆压力一般设置为水压力的3～5倍(通常约为0～3MPa)。灌浆工艺流程见图3。
3.2 采取注浆加固措施
原始应力P0=γh=18.5×70=1295 kN/m2,粘聚力C=200 kPa,内摩擦角φ=27°,开挖半径a=3.2m,塑性区半径R=6m(由经验值给出):
由于P<0,说明结构不受力。
3理论计算
3.1根据弹塑性理论计算形变压力
原始应力P0=γh=18.5×70=1295 kN/m2,粘聚力C=50 kPa,摩擦角φ=20°,E=2.8×107kPa,开挖半径a=3.2m,塑性区半径R=6m (由经验值给出)。
形变土压力:
利用有限元分析程序SAP90进行分析得内力图(图4):
轴力N=1 129.6 kN,按容许应力法计算混凝土的抗压。
混凝土的极限受压强度Ra=15500 kPa
(1)结构按厚30 cm的C25喷射混凝土计算,安全系数:K=Rabh/N=15500×0.30×1÷1129.6=4.12>2.4,安全。
(2)结构按厚22cm的C25喷射混凝土计算,安全系数:K=Rabh/N15500×0.22×1÷1129.6=3.02>2.4,安全。
4 结束语
竖井投料不仅成功解决了斜井施工中混凝土运料难、供料不足等技术问题,还具有显著的经济效益:竖井开挖及投料装置布置约85万元,不设竖井时每运3 m3半成品混凝土用电80元,装载机装料费用50元,人工倒运费用25元,主洞需骨料运输费用230万元,节约成本112万元;不设置投料竖井每衬砌一板混凝土需用料145 m3,运料用时32h,设置后用时14h,一板混凝土(145 m3)可提前18h,主洞施工5210m,相当于总工期提前6个月。竖井技术在该隧道施工的实际运用,取得了良好的社会和经济效益。
摘要：某长大隧道建设,为解决混凝土运输问题,通过比选斜井运输、现场搅拌和竖井施工方案,确定了竖井施工和涌水处理等工艺,节约了成本,取得了良好的社会和经济效益。
关键词：人工开挖,竖井,隧道,斜井
参考文献
谈公路隧道竖井施工技术 篇3
1 公路隧道竖井施工技术概述
1. 1 公路隧道竖井施工特点
随着我国道路交通事业的飞速发展, 公路隧道竖井技术也呈现日益完善的趋势。虽然我国在竖井施工方面还不是很成熟, 技术也有待提高, 但在近年的实践中也总结了较为丰富的施工经验, 该施工技术整体来说有着以下几个特点: 1) 技术简单、方便、经济、安全、快速; 2) 所需设备简单, 不需要大型的机器设备; 3) 开凿之后只要进行初期维护, 施工后期不需要再次进行维护。项目全部完工之后再进行维护即可, 简化施工程序; 4) 充分利用地形地势和空间优势条件, 利用断面导洞进行爆破挖洞, 加速了进程;5) 对于断面大山体的多采用钻爆法爆破技术, 可以避免造成山体崩塌等危险; 6) 有利于环保, 对场地要求不高, 占地面积少。
1. 2 公路隧道竖井施工范围
考虑到国内大部分施工企业的技术能力和施工条件, 再综合考虑实际经济条件问题, 该施工技术主要适用于: 1) 地质条件为岩质的公路、隧道; 2) 竖井的井直径不小于6 m, 最多可达15 m;3) 竖井深度一般不超过800 m。
1. 3 公路隧道竖井施工流程
公路隧道竖井施工主要包括以下几个工序: 1) 扩挖施工前准备。勘察结束之后, 从地面树立井架, 从井架安装稳绳直至井底, 将稳绳固定在井底的地梁上, 然后把吊笼固定在稳绳上, 利用吊笼将施工所需的材料和设备进行运输。2) 井口的施工以及地面布置。井口的施工工序主要是为: 拆除井架, 对井口进行扩挖, 浇筑井口处的混凝土, 安装吊盘, 对井口锁进行封闭, 设置地面配套设施等。3) 竖井扩挖。扩挖的施工工序为: 搭建导碴井封闭盖并进行钻孔, 装药, 拆除导碴井封闭盖, 连线进行爆破, 然后不断进行循环。作业中应注意人工机械进行钻孔时, 人工装药连线要退避到安全起爆区。同时也要把握好风管和水管的深度要求, 要保持好对于井下员工之间的联络, 以防发生意外。
2 公路隧道竖井施工技术应用
2. 1 确定施工导洞的直径以及堵塞防治技术
对于导洞直径的确定要采取以下原则: 在保证一定的施工空间和保持不堵塞的情况之下尽可能减小导洞的直径, 以实现快速和经济的目的。根据导洞的堵塞情况的不同, 一般可以分为蓬拱现象、卡塞现象和粘附现象。虽然导洞的堵塞情况很常见而且也各不相同, 但是也是有着其本质规律的。结合不同的地质情况, 由于是粘土覆盖层在上, 就可以直接用挖土机从地面上取土, 而不需要经过导洞, 这样就可以避免因粘附、蓬拱等原因造成的导洞堵塞。例如, 若导洞的直径确定为3 m, 则导洞爆破体的直径就要尽可能控制在导洞直径的1 /5 以内 ( 即60 cm) 。而处理导洞溜碴堵塞的方法, 一般则是采用爆破的处理方法, 从上面吊放炸药进行爆破, 不仅简单方便, 还更加快捷彻底。常见的就是采用火箭弹进行爆破, 这种引爆装置不仅可以增加接触面积, 提高爆破力, 还可以在短时间内达到爆破清理的效果。
2. 2 竖井挖空爆破技术
就目前应用而言, 常用的凿井方法主要有钻爆法、冻结法和钻井法等, 不同的方法也是各有其适用范围的。对于岩质结构公路隧道, 多使用钻爆法进行开挖。这需要做到以下两点要求:1) 对导洞进行爆破时要严格控制爆破物质的直径在导洞直径的1 /5 以内, 还要保证导洞的垂直度; 2) 针对导洞断面小掏槽难度大效率低等特点, 大多采用大直径中空直眼掏槽。
2. 3 竖井施工提升和悬吊技术
这一技术在施工上主要应该注意以下几个方面: 施工前要做好提升能力计算, 结合施工竖井深度计算好出碴量; 对施工场地进行平整, 做好排水通风系统及相应的配套设施; 为了保证地表软层的稳定性, 对中段的挖掘应该尽量采用机器挖掘避免进行大规模爆破; 要依据围岩的具体情况确定锁口的深度。
3 公路隧道竖井施工相应的安全防范措施
3. 1 竖井施工的安全技术
1) 小导洞锁口安全技术。为了保证施工时井口的稳定, 需要在井口位置设置临时锁口, 锁口的深度要根据围岩的具体情况来确定。一般临时锁口内径为300 cm, 外径为400 cm, 壁厚为0. 5 m, 多采用钢筋混凝土结构, 为了防止落石在施工过程中进入井内, 锁口的高度要高出地面100 cm。在锁口周围还要设置防洪墙, 以防止雨水进入井内。2) 竖井提升的安全事项: a. 在上笼前必须要仔细检查吊笼各部件之间的连接装置、各种接头、保护钢板、通讯设备以及声光信号设施等是否完好, 如有缺陷要及时进行处理。b. 吊笼内必须安装由笼内人员进行控制的升、降和停的信号控制装置, 以防发生意外。
3. 2 竖井扩挖与二衬施工的安全技术
1) 为了防止人工挖井时滑入井底形成安全事故, 要在导洞开挖完成后, 将原来的安全防护盘改装为安全盖盘来对导洞进行覆盖隔离。2) 故安全盘应该采用与竖井进行扩挖时相同的规格, 还要保证在使用时, 安全盘下方的净高不少于2. 5 m。3) 在竖井进行施工时, 必须要采取相应的措施防止物件发生下坠。例如在封口盘上设井盖门, 在井盖门两端安装栅栏, 井内作业人员施工时要携带的工具和材料, 必须在身体上进行拴牢或者放在工具袋内。4) 对井口进行扩挖时, 应做到以下几点: a. 在含水表土层进行施工时, 要及时架设和加固井圈和密集背板, 以降低水位, 防止井壁的砂土流失, 还要有专业的安全技术措施; b. 在井内应放置梯子对施工人员进行升降, 不得使用其他简易设备; c. 竖井施工时应该采用双层吊盘作业的方式; d. 整个过程的信号系统和声光控制系统要保持良好的运行状态, 且必须每隔一定距离都有相应的设置并直达井口, 每个作业指定地点, 都要有独立的声光信号系统, 还要设置专门的信号工, 由信号工与机房和地面工作总部进行联系。
随着交通运输业的迅速发展, 公路隧道竖井的施工技术也越来越成熟。当前我国的隧道施工技术还有待提高, 一定要在施工前确定好安全、经济和环保的施工方案。大直径的竖井建设还未广泛应用, 但会为公路隧道建设提供一个有利的方向。
参考文献
[1]李文俊.夹活岩特长公路隧道竖井设计及施工方法探讨[J].铁道标准设计, 2015 (5) :77.
[2]常民生, 赵中宇.超深竖井快速掘进施工新方法[J].长江科学院院报, 2014 (12) :108.
隧道竖井 篇4
关键词：隧道竖井,黏弹性人工边界,土水-结构动力相互作用,有限元模型
隧道竖井在调节隧道内气压、通风换气及防灾救援等方面发挥着重要作用,同时伴随国内外水下隧道施工技术的发展,修建水下隧道已成为架起沿岸地区之间联系的主要“桥梁”[1]。然而,水下隧道多建于水底软土沉积层或风化岩层内,其破坏后存在灾难严重及修复困难的问题,其动力响应更直接关系到竖井设计的经济性。因此,研究土水与隧道竖井耦合系统的地震响应机理,对评价结构在地震作用下的可靠性尤为必要。
目前,有关水下隧道竖井的抗震理论研究尚处于起步阶段,分析方法主要有解析法和数值法。其中基于模型边界的位移约束。于新杰等[2]运用Super Sap程序计算了长江沉管隧道竖井壁板的弯矩分布规律;黄福祥[3]、薛清鹏[4]结合力学计算和有限元法对直立式通风竖井的稳定问题进行了研究;肖梦倚[5]等采用振型分解反应谱法分析了埋入式水工结构附属竖井的应力变形动力特性。基于黏弹性或黏性人工边界,陈向红等[6,7]考虑井底隧道约束,运用解析和数值方法讨论了软土地层中隧道竖井的地震响应机理;Juan M.Mayoral等[8]则对无隧道约束条件下黏土地层中的悬浮竖井的破坏机制进行了研究。上述分析主要适用于沉埋于土层中的竖井结构,未考虑岩层中开挖的隧道竖井在多场耦合条件下的动力问题。鉴于此,本文基于黏弹性人工边界,考虑竖井井底隧道约束及结构与周围土水介质的动力相互作用,建立了矩形截面隧道竖井与围岩的三维整体有限元模型,并通过自编子程序对水平地震下软土和风化岩层中的竖井内力和变形规律进行了计算与分析,分析结论可为水下隧道竖井的结构抗震设计提供参考。
1 土水介质与结构耦合振动理论
1.1 运动方程
建立隧道竖井和地基的有限元模型,假定水体为无旋、无黏、无热转换的不可压缩流体,作用于竖井上的动水力可简化为附加惯性力,以质量单元附加在竖井的水下部分[9]。在地震作用下整体系统的运动方程可表示为
式(1)中,M、C、K分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;分别为加速度矢量、速度矢量和位移矢量;下标a、b、c分别代表结构(含动水压附加质量项)、基础和围岩介质;F为模型边界节点上施加的等效地震力[10]。
1.2 围岩本构
在地震作用下,为了准确模拟围岩对隧道竖井结构动力响应的影响,文中分别选用Hardin-Drnevich非线性本构和Drucker-Prager弹塑性本构模拟软土和岩石地层。
1.2.1 Hardin-Drnevich[11]
软土介质动剪切模量Gd和阻尼比ηd满足:
式(2)中,Gdmax、ηdmax为最大动剪切模量和阻尼比;γd为动剪应变;τf为极限抗剪强度;χ为材料参数。
1.2.2 Drucker-Prager[12]
根据流动法则,总应变增量de可表示为弹性应变增量dee和塑性应变增量dep之和,则柯西应力张量公式为:
式(3)中,
Ed、μd为动弹性模量和泊松比;dξ为瞬时比例系数;f为与应力张量的第一不变量I1和偏应力张量的第二不变量J2相关的函数,即;α和k为材料常数。
1.3 边界条件
通过设置黏弹性人工边界模拟散射波向无穷远的逸散现象,边界弹簧K和阻尼c可表示为[13,14]
式(4)中,R为散射波源至人工边界的距离;a1、a2分别为弹簧和阻尼调整系数;v为围岩视波速。
2 计算模型及地震动输入
2.1 模型的建立
本文采用有限元软件ANSYS下的APDL参数化语言进行建模和求解。计算模型见图1,其中隧道和竖井模型尺寸分别取,壁厚为0.8 m,竖井出露于水面部分为10 m,水中部分为40 m,埋于土中部分为10 m;模型计算范围:沿隧道宽x方向由竖井竖轴分别取至3倍隧道宽,z向同隧道长度,竖直方向向上取至地表,向下取至3倍隧道宽;模型边界:模型上部自由,底部及四个侧面设置黏弹性人工边界模拟地震波穿过边界时的逸散现象。
有限元建模时,隧道与竖井选用壳单元,围岩选用三维实体单元,单元尺寸取5 m;动水压以质量单元形式作用于竖井外侧壁。结构与围岩介质材料物理力学参数见表1。
2.2 地震动输入
输入地震波记录为1940年美国EL-CENTRO波的记录(图2),计算中用到的地震波速度和位移时程经过加速度时程滤波与积分后得到,计算过程采用边界等效荷载方式输入地震动。
3 计算结果与分析
在水平地震作用下,图3、图4给出了竖井井顶相对井底位移和井底内力随围岩性质的变化规律;图5、图6给出了竖井截面相对位移和内力峰值沿井深的分布规律;图7则示出了单元内力沿井深变化趋势。
由图3、图4计算结果可知,由于软土的基床反力系数和阻尼系数相比岩质地基要小,从而降低了边界输入地震能,减小了竖井结构的变形和内力动力响应幅值。
由图5分析可知,在不同场地条件下竖井截面相对位移沿井深由顶至底逐渐减小,在接近井底位置岩质地基中的结构位移衰减幅度有所减小。由图6可知,受围岩和隧道的约束影响,竖井截面最大弯矩和剪力均出现在井底;在隧道以上,竖井内力沿井深由顶至底逐渐增大,岩质地基中的增幅相比软土要大;在隧道与竖井接触段,不同围岩中竖井内力变化趋势和幅值均存在较大差异。由图7进一步分析得知,最大结构单元内力亦发生在与隧道接头位置。
根据文献[15],为了衡量竖井与隧道连接接头刚度的影响,引入无量纲参数表示不同接头刚度的竖井动力响应增幅,井顶相对位移增幅Du和井底接头内力增幅Dσ可表示如下。
式(5)中,Δu1、Δu2分别为接头刚度变化前后井顶的相对位移幅值;Δσ1、Δσ2分别为接头刚度变化前后井底的内力幅值。
图8、图9给出了不同接头刚度下井底内力和井顶相对位移增幅。其中,以接头单元弹性模量乘系数来定义接头刚度的变化。
由图8、图9可知,竖井井顶相对位移和井底内力随接头刚度系数的减小而增大,但两类场地条件下结构的地震响应增幅有所不同,软土地层中结构的受影响程度要明显高于岩层。当接头刚度系数减小至10-2以下时,结构内力和变形增幅幅度逐渐减小并趋于稳定。因此,在竖井结构的抗震分析中应考虑往复荷载下接头的刚度变化影响,规避由接头问题引起的破坏。
4 结论
文中考虑黏弹性人工边界,通过自编APDL子程序建立了水下隧道竖井的三维动力分析模型。由算例分析得到如下结论。
(1)相比岩层,软土地层材料参数降低了边界输入地震能,减小了竖井结构的动力响应。
(2)在水平地震作用下,竖井截面相对位移沿井深由顶至底逐渐减小,截面弯矩和剪力分布规律则正好相反,且最大内力均出现在井底;岩质地基中的增幅相比软土要大。
(3)竖井井顶相对位移和井底内力随接头刚度系数的减小而增大;软土地层中结构受接头刚度的影响程度明显高于岩层。
佛岭隧道竖井建设期安全风险评估 篇5
关键词：隧道工程,竖井,安全风险评估
1 工程概况
1.1 竖井的布置
竖井的布设主要根据隧道长度、地形、地质、水文及环境影响等条件, 结合营运通风、弃渣等的需求综合考虑。通过技术经济比较, 五台至盂县高速公路佛岭隧道竖井采用单一竖井地上风机房方案。佛岭隧道位于五台县陈家庄乡至盂县梁家寨间牛道岭处, 设计为左右线分离式。起讫桩号为ZK12+570~ZK21+373 (K12+555~K21+360) , 左 (右) 洞全长8 803 (8 805) m, 左 (右) 洞体最大埋深758.203 (761.616) m。佛岭隧道竖井位于左右线之间, 左 (右) 线桩号为ZK16+416.4 (K16+420) , 竖井埋深432 m, 半径5.25 m, 周长32.99 m, 面积86.59 m2, 其规模为全国前列。竖井平面布置图如图1所示。
1.2 水文、地质条件
佛岭隧道总体走向近南北向, 隧道围岩主要由第4系全新统冲洪积 (Q4el+pl) 黄土状土、卵石, 第4系中更新统 (Q2eol) 黄土、残坡积 (Q2el+dl) 碎石, 寒武系中统张夏组 (∈2Z) 泥质条带灰岩、寒武系下统馒头毛庄组 (∈1m-mz) 泥质页岩、泥质砂岩及石英砂岩, 太古界龙华河群翻梁沟组 (Arlnf) 混合花岗片麻岩和太古界龙华河群辉理组 (Arlnh) 黑云斜长片麻岩等构成。佛岭隧道竖井处属于构造剥蚀中山区, 山势陡峻, 基岩裸露, 地形整体上呈一鼻状山脉。
项目区地下水类型属变质岩类裂隙水, 主要接受大气降水的补给, 含水岩组主要由太古界龙华河群会理组 (Arlnh) 黑云斜长角闪片麻岩及混合花岗片麻岩等组成, 区内地下水依据储存空间类型可分为风化裂隙水和构造裂隙水。竖井正常涌水量为136.77 m3/d, 竖井稳定水位为97.2 m, 稳定水位标高为1 080.80 m。最大涌水量为547.08 m3/d。属于弱富水区, 地下水出水状态以淋雨状为主, 局部会产生涌流状出水。
2 竖井重大安全风险分类分析与评估
2.1 风险分析与评估的主要方法[1]
本文采用专家打分法对各风险源 (准则层) 之间的相对关系及各致险因子 (指标层) 之间的相对关系进行分析, 同时给出各指标概率等级;通过层次分析法得到指标层各致险因子权重值, 计算得出准则层概率等级, 最终获得佛岭隧道竖井施工阶段安全风险概率等级综合评定值。
2.1.1 专家打分法
专家打分法是通过匿名方式征询有关专家的意见, 对专家意见进行统计、处理、分析和归纳, 客观地综合多数专家经验与主观判断, 经多轮意见征询、反馈和调整后, 得出每项风险因素的权数与等级值, 从而求出该项风险因素的得分。
针对佛岭隧道竖井存在的复杂地质问题, 对隧道涌水突泥、井口失稳、塌方等重点风险进行了辨识与评估, 建立专家调查表, 对佛岭隧道竖井存在的主要风险进行调查。调查表共发放14份, 主要针对与设计阶段存在密切关系的设计院、从事过相关工程的施工单位和高校科研单位进行, 收到有效调查表13份。
调查专家的信息如下:
(1) 职称:教授或教授级高工5人、副教授或高工7人、工程师1人 (根据调查统计, 相关专家基本具有副高级职称以上, 相关理论知识过硬) ;
(2) 年龄:>60岁1人、50~60岁6人、40~50岁5人、30~40岁1人 (大部分专家处在40~60岁, 为单位中层领导) ;
(3) 相关专家对工程风险理论及方法的熟悉程度情况:从事该方向1人、非常了解4人、比较了解7人、了解一点1人;
(4) 相关专家工作单位情况:设计单位7人、施工单位2人、高校或科研单位4人 (本次调查主要选取设计单位和高校科研单位的相关专家, 主要考虑对设计阶段进行评估, 偏重于设计的理论与实践) ;
(5) 相关专家从事隧道专业时间:>20年8人、15~20年2人、10~15年2人、5~10年1人 (相关专家从事隧道专业基本都在10 年以上, 经验丰富, 满足调查要求) 。
2.1.2 层次分析法 (AHP)
层次分析法 (Analytic Hierarchy Process, 简称AHP) 是对一些较为复杂、较为模糊的问题作出决策的简易方法, 它特别适用于那些难于完全定量分析的问题。它是美国运筹学家T. L. Saaty教授于70年代初期提出的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法。该方法能把定性因素定量化, 并能在一定程度上检验和减少主观影响, 使评价更趋科学化。该方法通过风险因素间的两两比较, 形成判断矩阵, 从而计算同层风险因素的相对权重。分析过程如下:
(1) 首先要把问题条理化、层次化, 构造出一个有层次的结构模型。在这个模型下, 复杂问题被分解为元素的组成部分。这些元素又按其属性及关系形成若干层次。上一层次的元素作为准则对下一层次有关元素起支配作用。
递阶层次结构中的层次数与问题的复杂程度及需要分析的详尽程度有关, 一般递阶层次数不受限制。每一层次中各元素所支配的元素一般不要超过9个。这是因为支配的元素过多会给两两比较判断带来困难。
(2) 明确分析问题, 划分和选定有关风险因素, 建立风险因素分层结构, 从而可以得到一个n×n的判断矩阵。
(3) 计算判断矩阵的最大特征值和对应的特征向量, 分量即相应n个因素的权重。
(4) 因为判断矩阵采用两两比较得到, 未必满足等式aiajk=aik。因此, 需要采用一个一致性指标CI=ymax-n/ (n-1) , 来衡量由于矩阵不相容所造成的最大特征值和特征向量的误差。当判断完全一致时, CI=0, 一般只要CR=CI/RI<0.1, 就认为这个判断可以满意了。平均随机一致性指标RI取值如表1所示。
把所求出的各子因素与相对危害程度统一起来, 就可求出工作包风险处于高、中、低各等级的概率值的大小, 由此可判断工作包的风险程度。
层次分析法处理问题的程序与管理者的思维程序、分析解决问题的思路一致。在考虑过程中采用专家评判, 并用定量原则检验这一评判的重要性, 最后综合成整个项目的风险, 既有定性分析, 又有定量结果, 为管理者提供了一个全面了解项目全过程中风险情况的机会, 使其决策更为科学化。
2.2 竖井重大安全风险分析与评估[2]
2.2.1 竖井重大风险分析
考虑到佛岭隧道竖井埋深深、直径大的特点, 通过工程类比, 确定其施工阶段主要风险。受到各种客观条件的限制, 不可能将各种评价指标全部反映到竖井风险的评估中, 必须选取对风险起控制作用的主要评价指标, 忽略对其影响较小的次要评价指标, 参照竖井风险的相关研究, 分别建立评估指标体系, 如表2、表3所示。
2.2.2 权重计算
(1) 涌水突泥风险的评价指标
佛岭隧道竖井涌水突泥的风险性与降水、断层破碎带、承压水、开挖进尺、施工方案、支护参数、超前地质预报等因素有关。建立层次分析法的判断矩阵, 判断矩阵如表4~表6所示。
B判断矩阵一致性比例:0/0.58<0.1, 因此, 矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.5。
C判断矩阵一致性比例:0.04/0.90<0.1, 因此, 矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.5。
涌水突泥风险各因素的权重如表7所示。
根据各个因素的权重和专家对各个指标的概率等级打分情况, 求出涌水突泥的概率等级值。如表8所示。
(2) 井口失稳风险的评价指标
佛岭隧道竖井井口失稳的风险性与隧道的区域地质、软弱夹层、降水、断层破碎带、位置选择、支护参数、施工方案等因素有关。建立层次分析法的判断矩阵, 判断矩阵如表9~表11所示。
B判断矩阵一致性比例:0.010 3/0.90<0.1, 因此, 矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.5。
C判断矩阵一致性比例:0.00915/0.58<0.1, 因此, 矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.5。
井口失稳风险各因素的权重如表12所示。
根据各因素的权重和专家对各指标的概率等级打分情况, 求出井口失稳的概率等级值如表13所示。
(3) 塌方风险的评价指标
佛岭隧道竖井塌方的风险性与隧道的区域地质、软弱夹层、涌水、断层破碎带、衬砌结构、断面形式、开挖方式、支护参数、监控量测、施工方案、超前地质预报等因素有关。建立层次分析法的判断矩阵如表14~表16所示。
B判断矩阵一致性比例:0.00 347/0.90<0.1, 因此, 矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.444。
C判断矩阵一致性比例:0.010 7/1.32<0.1, 因此, 矩阵满足一致性判断。对总目标的权重为0.556。
塌方风险各因素的权重如表17所示。
根据各个因素的权重和专家对各个指标的概率等级打分情况, 求出塌方的概率等级值如表18所示。
2.2.3 佛岭隧道竖井施工阶段主要安全风险的评价指标
(1) 佛岭隧道竖井施工阶段安全风险概率等级的确定
建立准则层的判断矩阵如表19所示。
O判断矩阵一致性比例:0.067 8/0.58<0.1, 因此, 矩阵满足一致性判断。
根据各个因素的权重和专家对各个指标的概率等级打分情况, 求出施工阶段塌方风险的概率等级值, 如表20所示。
(2) 佛岭隧道竖井施工阶段安全风险的确定
获得综合评价指标为2.009 2, 后果等级评定为为3级 (严重的) , 由专项风险等级标准[2]可知, 评估结果为3 级, 为高度风险, 需制定风险消减措施的等级。
3 结论
通过查阅资料并结合工程实践, 建立了佛岭隧道竖井施工阶段主要风险评估的指标体系, 采用层次分析法对各单因素进行综合, 得出准则层和目标层的概率等级指标。
本文通过层次分析计算可知:井口失稳发生风险的概率最大, 塌方风险发生的概率较小, 涌水突泥影响最小。涌水突泥的评价指标体系中, 施工方案、断层破碎带、承压水、开挖进尺因素为主要风险因素;井口失稳的评价指标体系中, 位置选择、断层破碎带、降水因素为主要风险因素;塌方的评价指标体系中, 断层破碎带、开挖方式、软弱夹层因素为主要风险因素。通过对佛岭隧道竖井施工阶段主要风险的评估, 得出其发生概率等级指标为3, 对应的概率区间为:0.1%≤P<1% (偶尔发生的) , 损失等级为3级 (严重的) , 得出风险等级为3级, 为高度风险, 需制定风险消减措施的等级。
针对井口失稳和塌方高风险事件, 本文建议采取如下措施对风险进行控制, 降低风险等级:
(1) 佛岭隧道竖井施工过程中井口失稳风险较高, 要注意引入第三方监测, 对井口周边围岩、山体、地表进行稳定性监控量测[3], 控制施工过程中对围岩的扰动;对井内结构进行收敛变形和应力监测, 控制可能出现的井口支护结构在围岩变形作用下出现的剪切破坏。
(2) 佛岭隧道竖井施工过程中塌方风险较高, 要注意加强超前地质预报, 准确把握前方围岩情况;及时根据超前地质预报结果和出现的异常情况, 调整支护形式, 确保施工过程安全, 制定塌方紧急预案;加强施工质量检测工作, 确保施工质量;对竖井结构进行收敛变形和应力监测, 控制可能出现的有害变形, 及时采取措施进行控制。
参考文献
[1]交通运输部工程质量监督局.公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估制度及指南解析[M].北京:人民交通出版社, 2011:52-54.
[2]方碧滨.公路隧道施工中的安全风险评估及防范对策[J].公路交通技术, 2014 (5) :123-128.
隧道竖井 篇6
六盘山隧道设计为单洞分离式隧道, 隧道长9 490 m。六盘山隧道出口段采用钻爆法施工独头掘进达3 260 m, 有害气体、粉尘、噪声、高热、高湿环境对施工人员有较大危害, 施工通风效果直接关系到隧道内作业人员的健康和施工效率、工程进度与安全, 施工通风是隧道施工人员及作业机械的“生命线”。为了保证长大隧道工程施工能够顺利开展, 使得通风方案在技术上具有可行性, 在经济上具有合理性, 就需要在设计过程中分阶段设定通风方案。
2设计标准与原则
2.1施工通风设计标准
隧道在施工过程中, 作业环境应符合下列职业健康及安全标准:
1) 巷道最低风速不低于0.25 m/s。2) 有害气体最高容许浓度:CO含量控制在24 ppm以下;NO2含量不超过2.5 ppm;H2S不超过6.6 ppm;粉尘中Si O2含量不超过1 mg/m3;CO2按体积计不大于0.5%;O2不低于20%。3) 隧道内气温不得高于28℃。4) 隧道施工通风应能提供洞内作业所需的最小风量。
2.2施工通风设计参数
风量和风阻计算边界条件和相关参数见表1。
3通风计算
施工通风所需风量按洞内同时作业最多人数、洞内允许最小风速、一次性爆破所需要排除的炮烟量、内燃机械设备总功率和瓦斯涌出量分别计算, 取其中最大值作为控制风量。
1) 按洞内同时作业最多人数计算。
其中, q为单位用风量;n为最多人数。
可知:Q人=150 m3/min。
2) 按洞内允许最小风速计算。
其中, S为隧道最大断面积;V为允许最小风速。可知:Q风=35 m3/min。
3) 按一次性爆破所需要排除的炮烟量计算。
其中, A为同时爆破炸药量;t为通风时间;L为炮烟抛掷长度, 取40 m;S为隧道断面积。
可知:Q0=350 m3/min。
4) 按内燃机械设备总功率计算。
其中, H为内燃机械总功率;q为内燃机械单位功率供风量。按开挖面装碴设备, 包括1台挖掘机 (额定功率为107 k W) 、1台装载机 (额定功率为162 k W) 、1台出碴车 (额定功率为170 k W) , 可知:Q内=1 317 m3/min。
5) 按瓦斯涌出量计算。
其中, K为相关系数, 本处K=1.2;A为瓦斯涌出量, 取2.0 m3/min;B0为送风瓦斯浓度;B1为隧道内允许瓦斯浓度, 取0.5%。
可知:Q瓦斯=480 m3/min。
各因素用风量汇总得出总用风量为2 332 m3/min。
4六盘山隧道施工通风总体方案
4.1施工通风方案总体布置
六盘山隧道出口段独头掘进, 施工通风方案共分为三个阶段。
第一阶段:隧道掘进1 500 m以内采用压入式通风方案, 并在距洞口1 050 m处增加ф1.2 m通风竖井。
第二阶段:隧道掘进1 500 m~2 500 m, 利用通风竖井采用送排结合混合式通风方案。
第三阶段:隧道掘进2 500 m~3 260 m, 利用地形及左右线高差采用巷道式综合通风方案。
4.1.1第一阶段:压入式通风方案
在施工初期, 只有左右线两个开挖面、横洞未贯通, 施工距离短、通风方式单一, 采用压入式通风方案, 并在本阶段后期距洞口1 050 m处增加ф1.2 m通风竖井 (见图1) 。
1) ) 压入式轴流风机送风量计算。
取最大通风长度L=1 500 m, 按风管百米漏风率β为1.38%, 风机所需风量Q机为:
2) 风压计算。
风管内摩擦阻力P摩=λ (L/D) ρ (珔V2/2) 。
其中, λ为摩擦系数, 取λ=0.01;L为通风管长;D为风管直径, 取D=1.6 m;ρ为空气密度, 取ρ=1.0 kg/m3;珔V为管内平均风速, 根据使用经验, 取珔V=16.5 m/s。
计算可知:风管内摩擦阻力P摩=1 276 Pa, 风管内局部阻力P局=ζρ (珔V2/2) , 按风管内摩擦阻力P摩的5%考虑, 总阻力P总=1 276×105%=1 339.8 Pa。
3) 通风设备选型及配置。
隧道在单洞独头掘进1 500 m时, 需要压入式轴流通风机出风量为2 798 m3/min, 通过比较可得出:选用轴流风机SDF (c) -No13型 (2×132 k W) 扇叶角度3°在高速档位运行能满足掌子面用风要求, 如图2所示。
轴流风机高速状态下出风口风压为3 700 Pa, , 经过1 500 m的摩擦阻力消耗, 掌子面出风口风压降低为2 360 Pa。为减少通风时间、提高功效, 于1 050 m位置施作通风竖井一处, 烟囱效应明显, 加速排烟。
4) 通风竖井施工概述。
根据地形条件、隧道覆盖层厚度等因素, 在左右线隧道顶各施作一座小直径通风竖井, 成孔直径1.2 m。小直径通风竖井可以实现快速选址、快速施工, 较短时间内提供通风能力, 同时规划为高压进洞的线路通道, 可以节省高压电缆送线距离, 越来越普遍应用于长大隧道施工中。
通风竖井钻孔位置选定洞顶覆盖层厚68 m, 采用旋挖钻成孔, 钢护壁由辅助卡盘螺栓接长, 在钻孔壁间隔10 m人工挖出凸起台提升咬合力, 砂浆灌注饱满, 竖井与隧道交叉口“井”字形工钢方形骨架加固。
在竖井口各设置一台排气扇, 提高竖井的排风能力, 能迅速将洞内浑浊空气、烟尘排出, 大大改善洞内作业环境, 见图3。
4.1.2第二阶段:采用送排结合混合式通风方案
第二阶段, 隧道左右线排风系统各自独立、防止串风, 利用通风竖井采用送、排结合通风方案 (见图4) 。
1) 压入式轴流风机送风量计算。
隧道掘进1 500 m~2 500 m, 采用送排结合混合式通风方案, 送风量Q机为:
2) 风压计算。
风管摩擦阻力P摩=λ (L/D) ρ (珔V2/2) 。
可知:风管内摩擦阻力P摩=1 701 Pa, 局部阻力按P摩的5%考虑, P总=1 786 Pa。
3) 通风设备选型及材料配置。隧道在单洞独头掘进2 100 m时, 需要压入式轴流通风机出风量为3 212 m3/min, 现场配备选用轴流风机SDF (c) -No13型 (2×132 k W) 能够提供的最大风量为3 300 m3/min, 基本处于轴流风机的运行最大状态, 只能提供2 000 Pa的风机出口风压 (如图2所示) , 经过近2 500 m的摩阻消耗, 隧道右线存在掌子面污浊空气外排动力不足的问题。竖井段出现静风区 (风速<0.25 m/s) 的问题, 在距离洞口1 000 m位置增加吸出式风机 (SDF (c) -No9.6型) 一台, 增加排风能力。
4.1.3第三阶段:巷道式综合通风方案
随着独头掘进距离增加, 巷道式通风较压入式供风的风量大、功率省, 且技术成熟。隧道施工过程中, 左洞自然风风速及风压较大, 结合现场情况对巷道式通风进行了优化调整 (见图5) 。
1) 压入式送风量计算。隧道掘进2 500 m~3 200 m, 采用优化后的巷道式综合通风方案;隧道开挖作业面所需控制风量为2 332 m3/min。隧道左线压入式轴流风机迁移最远通风距离为2 200 m;隧道右线压入式轴流风机调整到位于1 710 m位置的配电横洞内, 最远通风距离1 500 m。
风机所需风量Q机为:
2) 风压计算。
风管内摩擦阻力P摩=λ (L/D) ρ (珔V2/2) 。
可知:左洞风管摩擦阻力P摩左洞=1 498 Pa, 总阻力:P总左洞=1 572 Pa。右洞风管摩擦阻力P摩右洞=1 276 Pa, 总阻力:P总右洞=1 339.8 Pa。
3) 污浊空气外排初始流速计算。
污浊排出空气计算公式:
由伯努利方程P=0.5·ro·v2。
其中, wp为风压, k N/m2;ro为空气密度, kg/m3;v为风速, m/s。
计算得到左洞风管口出风风速:V左洞风袋=4.5 m/s;右洞风管口出风风速:V右洞风袋=7.05 m/s。
隧道左线污浊空气V左洞污浊=0.56 m/s, 隧道右线污浊空气V右洞污浊=0.88 m/s。
污浊空气由左线进入右线, 第一个车行横洞污浊空气排风量:
第二个车行横洞污浊空气排风量:
右洞污浊空气总排风量、平均初始速度:
计算可知, 污浊空气初始流速取平均值:珔V右洞=0.72 m/s。
4.2通风设备选型及材料配置
隧道排风同样是隧道施工通风过程中的重难点问题, 从污浊空气外排初始流速计算珔V右洞=0.72 m/s可以看出掌子面附近污浊空气外排初始动力不足, 为增加隧道污浊空气排风效率、消除静风区, 按照通风平均污浊空气流速不小于2 m/s计, 对射流风机型号、安装间距、安装数量进行了计算。
计算用于克服隧道中全部空气阻力所需要的射流风机的推力, 隧道中的空气阻力主要由以下各项阻力组成。
4.2.1右线隧道口空气阻力
隧道口所形成的微压波阻力的影响, 隧道削竹洞口有流线形喇叭扩散结构, 取隧道中空气动压的1.5倍。
式中:Pdt———隧道空气动压, Pa;
ρ———空气密度, kg/m3;
VT———隧道中空气平均流速, m/s, VT=qT/AT;
qT———隧道中空气流速, m/s;
AT———隧道截面积, m2。
计算可知:隧道中空气动压Pdt=24 Pa, 隧道口阻力P口=36 Pa。
4.2.2右线隧道阻力中表面摩擦损失
隧道中的悬挂物表面, 如照明灯具、标识、存放材料等会对隧道中的空气流动产生阻力。其计算如下:
式中:VT———隧道中空气平均流速, m/s;
L———隧道长度, 按照本方案巷道长取2 200 m;
Dh———隧道横截面当量直径, 本处取2.5 m, Dh=4 AT/PT;
AT———隧道横截面积, 本处取87 m2;
PT———隧道横截面周长, 取34.5 m;
f———摩擦系数, 取决于隧道表面粗糙度及隧道中悬挂物的尺寸及数量, 本处取f=0.025。
计算可知:巷道内摩擦阻力P摩=296 Pa, 局部阻力按摩擦阻力P摩的4%考虑, 巷道内摩擦总阻力P总=308 Pa。
4.2.3隧道中总推力TT
隧道中的总推力主要是用于克服隧道中的空气阻力和隧道口所形成的微压波阻力, 故:
4.2.4射流风机选型计算
射流风机工作风压Hf, 要求射流风机产生的压力必须得以克服整个系统的阻力, 即:
式中:Hf———射流风机压力, Pa;
Vj———射流风机出口风速, m/s;
Aj———射流风机出口断面积, m2;
Ag———隧道断面积, m2;
Vgo———隧道内风速, m/s;
kj———增压系数, 0.85;
nj———射流风机台数。
经计算, 2 200 m区间内需要6台SSF-No10型射流风机 (37 k W) , 前期方案中右线1 000 m位置已安装一台轴流风机 (SDF-No9.6型) , 本着节约成本、减少新设备、利用有效的现有设备的原则, 吸出式轴流风机代替原方案该位置一台射流风机。
4.3通风设备选型及配置综合分析
遵循充分利用现有设备, 在满足通风效果的前提下, 进行合理调配减少新购风机的数量;在净空允许的情况下, 采用大直径风管, 减少能耗损失;通过适当增加一次性投入, 减少通风系统长期运行成本的原则, 确定所需通风设备及最终配置见表2。
4.4气体监测
定期对风速、风量、CO浓度、NO2浓度进行检测, 以上述四项指标为基准, 决定各项施工工序的合理性, 理顺作业环境与隧道施工的关系, 重视其环境危害, 积极主动采取合理措施, 使其危害降到最低限度。
5结语
本文以六盘山隧道为基础, 提出了长大公路隧道长距离独头掘进分阶段式施工通风方案, 并从施工作业环境的标准、施工通风方式选择、施工通风计算、施工通风方案等方面, 搭建了长大公路隧道长距离独头掘进施工通风组织的技术框架, 提出了独头掘进施工通风计算方法。
参考文献
[1]JTG F60—2009, 公路隧道施工技术规范[S].
[2]李永生.隧道施工通风方式的选择[J].西部探矿工程, 2010 (4) :123-127.
[3]韩应明.长大铁路隧道施工通风技术研究[J].科技前沿, 2009 (12) :421-423.
[4]宋从军.长大公路隧道独头掘进施工通风组织研究[J].公路交通技术, 2004 (4) :91-96.
[5]张园园, 杨胜强.上海市7200 m过江隧道独头通风方案研究[J].西部探矿工程, 2010 (4) :123-127.
隧道竖井 篇7
1.1钢尺法。
钢尺法是将钢尺代替水准测量中的水准尺, 达到传递竖井高程目的。此法在传统的隧道竖井高程中应用广泛, 但随着竖井深度的增加, 外界环境情况复杂且难以控制, 很难保证精度, 只适用于高差在50米范围内的高程传递。若井筒较深, 还需将钢尺精确的铆接起来, 加入各项改正分段实施, 但分段实施误差累积大, 且实施困难, 要花费较多的人力物力。
1.2钢丝法。
井筒较深时, 钢丝法传递高程可以减少钢尺法中钢尺间的铆接, 但此种方法操作复杂、投资大、精度低、计算复杂。同样受外界条件的制约因素比如风、气温、拉力对钢丝的影响等较多。
二、全站仪隧道竖井高程传递
2.1全站仪隧道竖井高程传递的操作方法。
如下图所示, 首先用高精度全站仪测出井上支架处C'至井下反射点C的长度SCC', 然后用几何水准测量的方法, 测出地面已知点A图1全站仪高程传递与支架处C'的高差hAC'和井下反射点C与开挖隧道内未知水准点B之间的高差hCB, 通过这种方式, 地面A点已知高程值即可传递到井下待定水准点上。详细操作如下:
(1) 天顶垂准仪投点。天顶垂准仪可以确定天顶方向的垂线。首先, 在竖井底部合适位置选择某一位置C点, 在C点上架设天顶垂准仪向井口顶架上投点。通过投点可以准确选择C点正上方的井架上C'。
(2) 测距。全站仪在C点处严格对中整平, 将提手把去掉, 当天顶距显示为0°时, 镜头正好对着井架上处的平面棱镜中心。使用仪器的测距功能, 同时记录井上、井下的温度、气压, 以便改正边长计算之用。
(3) 水准测量。a.地上水准测量。地面已知点A与支架处C'的高差hAC'可同时与地下水准测量进行或者先进行。通过几何水准原理将高程引测至C'点。b.地下水准测量。测距结束后全站仪不拆, 因此时所测高程为全站仪横轴所在平面的高程, 而井下C点由于施工难以保存, 必须将此处高程引测到隧道内待定水准点B上。
2.2全站仪隧道竖井高程传递的精度估算。
(1) 设全站仪隧道竖井传递高程中误差为m, 地面水准测量的中误差为m上, 地下水准测量的中误差为m下, 测距中误差为mD, 则有:。
(2) 地上及地下均为水准测量, 按三等水准观测, 则每公里水准测量偶然中误差为:其中△为测段往返测高差不符值;R为测段长度;N为测段数。
(3) 计算测距中误差mD。根据测距误差源的大小估算测距精度, 本方法中测距中误差的公式宜采用经验公式:其中A为所有全站仪的固定误差, B为全站仪的比例误差, D为全站仪所测的垂直距离 (以km为单位) 。
2.3全站仪隧道竖井高程传递的误差来源及应对措施。
(1) 在高程传递测量中, 仪器虽已进行温度、气压值修正, 但它不能完全代表整个竖井内的温度、气压参数, 从而产生误差。特别在竖井较深时, 其气象条件变化复杂, 该项误差的影响不容忽视, 在实施过程中可通过传感器每隔一定的距离测出不同部位的温度和气压, 取平均值输入到仪器, 能最大限度地将此项影响减少到最小。 (2) 在井上和井下的高程联系测量中, 地上和地下水准测量均要产生测量误差, 若在精度要求比较的深竖井中, 可以采用精密水准的办法提高水准测量的精度。 (3) 仪器本身的误差:主要由于仪器各几何关系不正确和检校不完善所引起的。故在使用前, 我们所用的全站仪及其他仪器均应该进行严格的检验校正, 检验合格后才能用于高程传递。 (4) 在地上地下温差较大时, 当有水滴从井口向下滴沥, 可采用井上往井下测距, 此时作业的精度不如从井下往上测距的精度高。
参考文献
[1]王运革.全站仪用于竖井高程联系测量的探讨[J].矿业工程, 2004, 4.